Поверхностная закалка стали. Поверхностной называется такая закалка, при которой высо­кую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя ста­ли

Поверхностной называется такая закалка, при которой высо­кую твердость приобретает лишь часть поверхностного слоя ста­ли. Она отличается от всех рассмотренных ранее способов закалки методом нагрева. При такой обработке до температуры закалки нагревают только поверхностный слой изделия. При быстром ох­лаждении лишь этот слой подвергается закалке. Остальная часть не закаливается и сохраняет структуру и свойства, которые были до закалки. Наибольшее распространение получила поверхност­ная закалка с индукционным нагревом токами высокой частоты. Этот высокопроизводительный, прогрессивный метод термической обработки обеспечивает повышение механических свойств стали, в том числе предела текучести, усталости и твердости, исключает возможность обезуглероживания, уменьшает опасность окисления поверхности изделий и их деформации, создает предпосылки для комплексной механизации и автоматизации процесса закалки.

Индукционный нагрев металла достигается путем индуцирова­ния вихревых токов. Электромагнитное поле создается индуктором, подключенным через трансформатор напряжения к источнику пере­менного тока. Источниками питания током могут служить машин­ные генераторы и тиристорные преобразователи (до 10 000 Гц). Чем больше частота тока, тем меньше глубина проникновения его в проводник и, следовательно, тем меньше глубина закалки. Нагрев токами высокой частоты осуществляется сле­дующим образом. Изделие, подлежащее нагреву, помещают внутри спирали из медной трубки (рисунок 10.1), т. е. в индуктор. Через индуктор пропускают ток высокой частоты большой силы, кото­рый создает вокруг изделия мощное переменное магнитное поле, в результате чего изделие перемагничивается много раз в секунду, в нем возникают короткозамкнутые вихревые токи. Вследствие явления поверхностного эффекта токи сосредоточиваются в поверх­ностном слое изделия и нагревают его на определенную глубину. Продолжительность нагрева токами высокой частоты весьма мала — она исчисляется секундами. Таким образом, изделие нагревается находящимися в нем электрическими токами, роль индуктора — возбудить эти токи.

а — одновременный нагрев и охлаждение; б — непрерывно-после­довательный нагрев вдоль оси вала; в — последовательный нагрев и охлаждение каждой шейки коленчатого вала

Рисунок 9.1 – Поверхностная закалка деталей токами высокой частоты

Способ поверхностной закалки с использованием токов высо­кой частоты выбирают в зависимости от размеров и формы изде­лия, а также предъявляемых к изделию требований. При закалке небольших изделий производят нагрев и охлаждение всей их по­верхности. Изделие 1 (рисунок 9.1, а) помещают в индуктор 2 и сна­чала нагревают, а затем охлаждают всю поверхность, подлежащую обработке. Охлаждение может быть душевым. Для этой цели при­меняют индукторы, на внутренней поверхности которых имеются многочисленные отверстия (спреер). После окончания нагрева че­рез эти отверстия на поверхность изделия поступает вода и ох­лаждает его.

Закалку изделий значительной длины проводят непрерывно-по­следовательным нагревом. Изделие 1 (рисунок 9.1, б) устанавливают в центрах и для равномерности нагрева непрерывно вращают с определенной скоростью. Закалка происходит при вертикальном перемещении изделия сверху вниз. При таком перемещении в маг­нитное поле индуктора 2 последовательно поступает один участок изделия за другим и нагревается до температуры закалки. Под ин­дуктором расположено охлаждающее устройство 3, представляющее собой согнутую кольцом трубку с многочисленными отверстиями на внутренней поверхности. Через отверстия на нагретые участки изделия поступает вода и охлаждает их. Так непрерывно-последовательно нагревается и охлаждается вся поверхность изделия.

При необходимости закалки отдельных частей изделия целе­сообразно применять последовательную закалку, при которой об­рабатываемая поверхность нагревается и охлаждается по частям. Таким образом осуществляется, например, закалка шейки колен­чатого вала 1 (рисунок 9.1, в), зуба крупномодульного зубчатого колеса, отдельных поверхностей шпинделя и др. После закалки для уменьшения внутренних напряжений изделия подвергают низ­кому отпуску (при 160-200 °С). Глубина закалки — 3-5 мм.

Для точной установки изделий в индукторе, обеспечения рав­номерного нагрева и охлаждения используют специальные при­способления, установки, станки-полуавтоматы и автоматы различ­ных конструкций.

Стационарный и вращательный способы закалки включают две операции: одновременный нагрев всей закаливаемой поверхности и охлаждение всей нагретой поверхности. При поступательном и комбинированном способах поверхность подвергается закалке при непрерывном перемещении через зону нагрева и охлаждения. Для нагрева пламенем служат обычные сварочные горелки, в кото­рых вместо мундштука используют специальные наконечники — щелевые и многопламенные. Толщина закаленного слоя состав­ляет 2 - 5 мм, твердость его достигается такая же, как при обычной закалке. В крупносерийном и массовом производствах при уста­новившемся технологическом процессе, когда длительное время изготовляются одни и те же изделия из стали определенных ма­рок, например, ведущие колеса гусеничных тракторов, используют поверхностную закалку в электролите — 14 - 16%-ном водном растворе кальцинированной соды.